(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のインプット光周波数を有するインプットレーザ光を発生するように配置されているレーザデバイスと、
パラメトリックに発生される光を与える光パラメトリック発生が可能であるように、３次の非線形性を示すキャビティを有する誘電性のマイクロ共振器と、
このマイクロ共振器に光学的に結合され、このマイクロ共振器の中に、前記インプットレーザ光を内部結合させ、このマイクロ共振器の外で、前記パラメトリックに発生された光を外部結合させる導波路とを具備する光周波数コム発生器であって、
前記レーザデバイスと、前記導波路と、前記マイクロ共振器とは、前記キャビティ内の光の場が、前記インプット光周波数に対して、少なくとも１０の周波数サイドバンドの周波数を有する、所定のカスケードパラメトリック発振の、前記パラメトリックに発生される光でのしきい値を超えるように、最小パワーレベルで、前記インプットレーザ光を前記マイクロ共振器のモードに結合されるように、配置されている光周波数コム発生器。
【請求項２】
前記マイクロ共振器は、１０ナノ秒を超える光子の寿命によって特徴付けられる高Ｑ値モードを示すように形成されている請求項１の光周波数コム発生器。
【請求項３】
前記マイクロ共振器と前記導波路とを有する基板をさらに具備する請求項１または２の光周波数コム発生器。
【請求項４】
前記導波路は、前記基板上に配置されている矩形の導波路である請求項３の光周波数コム発生器。
【請求項５】
前記マイクロ共振器は、このマイクロ共振器の分散が補正される請求項１ないし４のいずれか１の光周波数コム発生器。
【請求項６】
前記パラメトリックに発生された光を検出するように配置されている検出デバイスをさらに具備する請求項１ないし５のいずれか１の光周波数コム発生器。
【請求項７】
前記検出デバイスに結合されているフィードバックループをさらに具備し、また、繰り返し周波数、即ち隣接コムのモード間の間隔が、前記レーザデバイスと、前記導波路と、前記マイクロ共振器との少なくとも１つの、固有の特性を制御するための前記フィードバックループを使用して、検出され、安定化される請求項６の光周波数コム発生器。
【請求項８】
前記フィードバックループは、前記マイクロ共振器の温度と、このマイクロ共振器の歪みと、前記レーザデバイスのポンプパワーと、このレーザデバイスのレーザ周波数と、前記導波路とマイクロ共振器との間の距離との少なくとも１つを制御するように、配置されている請求項７の光周波数コム発生器。
【請求項９】
前記レーザデバイスは、安定化された連続波レーザである請求項１ないし８のいずれか１の光周波数コム発生器。
【請求項１０】
前記マイクロ共振器は、１ｍｍ未満の直径を有する請求項１ないし９のいずれか１の光周波数コム発生器。
【請求項１１】
前記レーザデバイスと、前記導波路と、前記マイクロ共振器とは、このマイクロ共振器の自由スペクトル範囲の整数倍によって与えられる繰り返し周波数を有する光パルスを発生させるように配置されている、請求項１ないし１０のいずれか１の光周波数コム発生器。
【請求項１２】
前記マイクロ共振器は、１平方センチメートル当たり１ギガワットより強い強度の光を含む請求項１ないし１１のいずれか１の光周波数コム発生器。
【請求項１３】
前記パラメトリックに発生される光のコム成分での、位相と振幅との少なくとも一方を、個々に操作するように配置されている、位相と、振幅との少なくとも一方の操作デバイスをさらに具備する請求項１ないし１２のいずれか１の光周波数コム発生器。
【請求項１４】
フーリエ制限と、スペクトルの平坦化との少なくとも一方へと、光パルスを圧縮するように配置されている圧縮デバイスをさらに具備する請求項１ないし１３のいずれか１の光周波数コム発生器。
【請求項１５】
前記パラメトリックに発生される光のコム成分での、位相と振幅との少なくとも一方を、個々に変調するように配置されている変調デバイスをさらに具備する請求項１ないし１４のいずれか１の光周波数コム発生器。
【請求項１６】
前記変調デバイスは、データの伝送のためのキャリアとして、前記変調されるコム成分を変調するように配置されている請求項１５の光周波数コム発生器。
【請求項１７】
前記レーザデバイスと、前記導波路と、前記マイクロ共振器とは、前記パラメトリックに発生される光を、四光波混合によって発生するように配置されている請求項１ないし１６のいずれか１の光周波数コム発生器。
【請求項１８】
前記レーザデバイスと、前記導波路と、前記マイクロ共振器とは、１次およびこれより高次の位相コヒーレント周波数サイドバンドを用いて、前記パラメトリックに発生される光を発生するように配置されている請求項１ないし１７のいずれか１の光周波数コム発生器。
【請求項１９】
前記レーザデバイスと、前記導波路と、前記マイクロ共振器とは、１次およびこれより高次の隣接する周波数サイドバンドの振幅が、３ｄＢ未満の変化をするような、パラメトリックに発生される光を発生するように配置されている請求項１ないし１８のいずれか１の光周波数コム発生器。
【請求項２０】
前記マイクロ共振器から前記導波路への、前記パラメトリックに発生される光の外部結合率が、このマイクロ共振器内で固有の損失率の１０分の１以上である請求項１ないし１９のいずれか１の光周波数コム発生器。
【請求項２１】
前記導波路は、プリズムまたはテーパ光ファイバを有することと、
前記導波路は、シリコンまたはシリコン窒化物により形成されていることと、
前記マイクロ共振器は、ウィスパリングギャラリモードのマイクロ共振器であることと、
前記マイクロ共振器は、円形でない形状を有することと、
前記マイクロ共振器は、円形の形状を有することと、
前記マイクロ共振器は、ディスク形状またはリング形状を有することと、
前記マイクロ共振器は、シリコンと、シリコン窒化物と、フッ化カリウムと、シリカと、プラスチックとの少なくとも１つにより形成されていることと、
前記マイクロ共振器は、３次の非線形性を示す非線形物質がドープされていることとの、少なくとも１つの様態を有する、請求項１ないし２０のいずれか１の光周波数コム発生器。
【請求項２２】
前記マイクロ共振器は、絶縁体ウェハ材料上のシリコンにより形成されている請求項２１の光周波数コム発生器。
【請求項２３】
レーザデバイスを用いて、所定のインプット光周波数を有するインプットレーザ光を発生させる工程と、
このインプットレーザ光を、導波路を通して、３次の非線形性を示すキャビティを有する誘電性マイクロ共振器に結合させる工程と、
光パラメトリック発生によって、前記マイクロ共振器内でパラメトリックに発生される光を与える工程と、
前記マイクロ共振器の外で、前記パラメトリックに発生された光を結合させる工程と具備し、
前記光を与える工程で、前記インプットレーザ光は、前記キャビティ内の光の場が、前記インプットレーザ光周波数に対して、少なくとも１０の周波数サイドバンドの周波数を有する、所定のカスケードパラメトリック発振の、前記パラメトリックに発生される光でのしきい値を超えるように、最小パワーレベルで、このマイクロ共振器のモードに結合される、光周波数コムを発生する方法。
【請求項２４】
前記マイクロ共振器の分散を補正する工程を有する請求項２３の方法。
【請求項２５】
検出デバイスを用いて、前記パラメトリックに発生された光を検出する工程を有する請求項２３もしくは２４の方法。
【請求項２６】
前記レーザデバイスと、前記導波路と、前記マイクロ共振器との少なくとも１つの固有の特性を制御するために配置されている検出デバイスに結合されているフィードバックループを使用して、繰り返し周波数を、検出し、安定化させる工程を有する請求項２５の方法。
【請求項２７】
前記マイクロ共振器の温度と、このマイクロ共振器の歪みと、前記レーザデバイスのポンプパワーと、このレーザデバイスのレーザ周波数と、前記導波路とマイクロ共振器との間の距離との少なくとも１つを制御する工程を有する請求項２６の方法。
【請求項２８】
前記マイクロ共振器の自由スペクトル範囲の整数倍によって与えられる繰り返し周波数を用いて、光パルスを発生する工程を有する請求項２３ないし２７のいずれか１の方法。
【請求項２９】
前記インプットレーザ光は、前記マイクロ共振器が、１平方センチメートル当たり１ギガワットより強い強度の光を含むように、このマイクロ共振器に結合される請求項２３ないし２８のいずれか１の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モノリシック光周波数コム発生器に関する。さらに、本発明は、光周波数コムを発生させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光周波数コム（非特許文献１ないし３参照）は、赤外線、可視光線および紫外線（非特許文献４および５参照）に対して、互いに等距離の複数の周波数マーカを与え、未知の光周波数を、ラジオ周波数、またはマイクロ波周波数の参照値にリンクさせることができる（非特許文献６および７参照）。これらの登場以来、周波数コムは、光周波数計測学と精密測定（非特許文献６および７参照）とにおいて、およびブロードバンドレーザを基礎としたガスセンシング（非特許文献８参照）並びに分子指紋（非特許文献９参照）のような適用において、多大な効果のきっかけとなってきている。初期の研究は、内部キャビティの位相変調によって周波数コムを発生させていたが（非特許文献１０ないし１２参照）、最近の周波数コムは、繰り返し周波数とキャリアのエンベロープ相とが安定化されることができるモードロックレーザの、コムのようなモード構造を使用して発生される（非特許文献１３参照）。
【０００３】
光周波数コムを発生させるための通常の技術は、一般的に、光学系のセットアップの複雑さと制御コストとに関する欠点を有する可能性がある。
【０００４】
光マイクロキャビティ（非特許文献２１参照）は、長く一時的に、小さい空間への光の閉じ込めのおかげで、非線形周波数変換に理想的に適している。この非線形周波数変換は、ラマン散乱のような誘導非線形プロセス（非特許文献２３参照）によって、非線形光変換のしきい値での、劇的な改良（非特許文献２２参照）をもたらしてきている。誘導ゲインとは対照的に、パラメトリック周波数変換（非特許文献２４参照）は、散逸リザーバとの結合を含まず、原子または分子の共振に依らないようなブロードバンドであり、また、位相感知増幅プロセス（非特許文献２５参照）を構成し、この結果、チューナブル周波数変換に唯一適することができる。シリカのような、反転対称性を有する材料の場合、基本のパラメトリック相互作用は、４つの光子に関連し（非特許文献２６参照）、ハイパーパラメトリック相互作用（またはファイバ光学における変調不安定性（非特許文献２６参照））としても知られている(非特許文献２７参照)。このようなプロセスは、信号光子（周波数ωＳ）と、アイドラ光子（周波数ωＩ）とを有する２つのポンプ光子（周波数ωP）間の四光波混合に基づいている。このプロセスは、ポンプ場を与えて、真空波動から、（位相コヒーレント）信号光と、アイドラ光とのサイドバンドを出現させる。このプロセスのエネルギー保存特性
【数１】
0005619344.tif 000002
【０００５】
は、パラメトリック相互作用を観測することを可能にするキャビティの分散量に厳格な条件を与え、一方、運動量保存が、信号モードとアイドラモードとに対して本質的に満たされる。実際、近年、全ての共振パラメトリック発振が、自己位相変調および相互位相変調によって発生される非線形モードプーリングによってなされるような（非特許文献１５参照）、ＣａＦ２結晶並びにシリカのマイクロキャビティ中で、上記プロセスを観測することが可能になってきている（非特許文献１５および１６参照）。
【０００６】
非線形光変換のために光マイクロキャビティを使用する通常の技術は、共振器中に発生されるサイドバンド周波数の数が非常に制限されるという欠点を有する。従って、このような光マイクロキャビティは、周波数コムを発生させるために使用することができない。キャビティ中の分散効果に因り、より多くのサイドバンド周波数の発生は、起こされにくい（非特許文献１５参照）。
【非特許文献１】Udem, T., Holzwarth, R. & Hansch, T. W. Optical frequency metrology. Nature 416, 233-237 (2002).
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【非特許文献３】Ye, J. & Cundiff, S. T. Femtosecond Optical Frequency Comb: Principle, Operation and Applications (Springer, 2005).
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【非特許文献５】Gohle, C. et al. A frequency comb in the extreme ultraviolet. Nature 436, 234-237 (2005).
【非特許文献６】Diddams, S. A. et al. Direct link between microwave and optical frequencies with a 300 THz femtosecond laser comb. Physical Review Letters 84, 5102-5105 (2000).
【非特許文献７】Diddams, S. A. et al. An optical clock based on a single trapped Hg-199(+) ion. Science 293, 825-828 (2001).
【非特許文献８】Thorpe, M. J., Moll, K. D., Jones, J. J., Safdi, B. & Ye, J. Broadband Cavity Ringdown Spectroscopy for Sensitive and Rapid Molecular Detection. Science 311, 1595-1599 (2006).
【非特許文献９】Diddams, S. A., Hollberg, L. & Mbele, V. Molecular fingerprinting with the resolved modes of a femtosecond laser frequency comb. Nature 445, 627-630 (2007).
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【非特許文献１３】Jones, D. J. et al. Carrier-envelope phase control of femtosecond mode-locked lasers and direct optical frequency synthesis. Science 288, 635-639 (2000).
【非特許文献１４】Armani, D. K., Kippenberg, T. J., Spillane, S. M. & Vahala, K. J. Ultra-high-Q toroid microcavity on a chip. Nature 421, 925-928 (2003).
【非特許文献１５】Kippenberg, T. J., Spillane, S. M. & Vahala, K. J. Kerr-nonlinearity optical parametric oscillation in an ultrahigh-Q toroid microcavity. Physical Review Letters 93 (2004).
【非特許文献１６】Savchenkov, A. A. et al. Low threshold optical oscillations in a whispering gallery mode CaF2 resonator. Physical Review Letters 93 (2004).
【非特許文献１７】Steinmeyer, G., Sutter, D. H., Gallmann, L., Matuschek, N. & Keller, U. Frontiers in ultrashort pulse generation: Pushing the limits in linear and nonlinear optics. Science 286, 1507-1512 (1999).
【非特許文献１８】Keller, U. Recent developments in compact ultrafast lasers. Nature 424, 831-838 (2003).
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【非特許文献２１】Vahala, K. J. Optical microcavities. Nature 424, 839-846 (2003).
【非特許文献２２】Spillane, S. M., Kippenberg, T. J. & Vahala, K. J. Ultralow-threshold Raman laser using a spherical dielectric microcavity. Nature 415, 621-623 (2002).
【非特許文献２３】Chang, R. K. & Campillo, A. J. Optical processes in microcavities (World Scientific, Singapore, 1996).
【非特許文献２４】Dunn, M. H. & Ebrahimzadeh, M. Parametric generation of tunable light from continuous-wave to femtosecond pulses. Science 286, 1513-1517 (1999).
【非特許文献２５】Scully, M. O. & Zubairy, M. S. Quantum Optics (Cambridge, 1996).
【非特許文献２６】Agrawal, G. P. Nonlinear fiber optics (Academic Press, Boston, 1989).
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【非特許文献２８】Stolen, R. H. & Bjorkholm, J. E. Parametric Amplification and Frequency-Conversion in Optical Fibers. Ieee Journal of Quantum Electronics 18, 1062-1072 (1982).
【非特許文献２９】Spillane, S. M., Kippenberg, T. J., Painter, O. J. & Vahala, K. J. Ideality in a fiber-taper-coupled micro-resonator system for application to cavity quantum electrodynamics. Physical Review Letters 91 (2003).
【非特許文献３０】Spillane, S. M., Kippenberg, T. J., Painter, O. J. & Vahala, K. J. Ideality in a fiber-taper-coupled micro-resonator system for application to cavity quantum electrodynamics. Physical Review Letters 91, art. no.-043902 (2003).
【非特許文献３１】Kubina, P. et al. Long term comparison of two fiber based frequency comb systems. Optics Express 13, 904-909 (2005).
【非特許文献３２】Keilmann, F., Gohle, C. & Holzwarth, R. Time-domain mid-infrared frequency-comb spectrometer. Optics Letters 29, 1542-1544 (2004).
【非特許文献３３】Udem, T., Reichert, J., Holzwarth, R. & Hansch, T. W. Accurate measurement of large optical frequency differences with a mode-locked laser. Optics Letters 24, 881-883 (1999).
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【非特許文献３８】Walls, D. F. & Milburn, G. J. Quantum Optics (Springer, New York, 1994).
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【非特許文献４１】Armani, D., Min, B., Martin, A. & Vahala, K. J. Electrical thermo-optic tuning of ultrahigh-Q microtoroid resonators. Applied Physics Letters 85, 5439-5441 (2004).
【非特許文献４２】Borselli, M., Srinivasan, K., Barclay, P. E. & Painter, O. Rayleigh scattering, mode coupling, and optical loss in silicon microdisks. Applied Physics Letters 85, 3693-3695 (2004).
【非特許文献４３】Xu, Q. F., Schmidt, B., Pradhan, S. & Lipson, M. Micrometre-scale silicon electro-optic modulator. Nature 435, 325-327 (2005).
【非特許文献４４】Ilchenko, V. S., Savchenkov, A. A., Matsko, A. B. & Maleki, L. Nonlinear optics and crystalline whispering gallery mode cavities. Physical Review Letters 92 (2004).
【非特許文献４５】Foster, M. A. et al. Broad-band optical parametric gain on a silicon photonic chip. Nature 441, 960-963 (2006).
【非特許文献４６】F. Keilmann, C. Gohle, and R. Holzwarth, Optics Letters 29, 1542 (2004).
【非特許文献４７】T. J. Kippenberg, S. M. Spillane, and K. J. Vahala, Applied Physics Letters 85, 6113 (2004).
【非特許文献４８】T. J. Kippenberg, S. M. Spillane, and K. J. Vahala, Physical Review Letters 93, 083904 (2004).
【非特許文献４９】P. Kubina, P. Adel, F. Adler, G. Grosche, T. W. Hansch, R. Holzwarth, A. Leitenstorfer, B. Lipphardt, and H. Schnatz, Optics Express 13, 904 (2005).
【非特許文献５０】T. Carmon, L. Yang, and K. J. Vahala, Optics Express 12, 4742 (2004).
【非特許文献５１】T. J. Kippenberg, S. M. Spillane, and K. J. Vahala, Optics Letters 27, 1669 (2002).
【非特許文献５２】S. Schiller, Applied Optics 32, 2181 (1993).
【非特許文献５３】T. Kippenberg, Ph.D. thesis, California Institute of Technology (2004).
【非特許文献５４】M. A. Foster and A. L. Gaeta, Optics Express 13, 6848 (2005).
【発明の開示】
【０００７】
本発明の目的は、改良された光周波数コム発生器と、従来技術の限定を避けて光周波数コムを発生させる方法とを提供することである。
【０００８】
この目的は、独立請求項の特徴を有する装置と方法とによって解決される。本発明の効果のある実施の形態と適用とが、従属請求項で規定されている。
【０００９】
第１の様態によると、本発明は、以下の構成の光周波数コム発生器を提供する一般的な技術教示に基づいている。この光周波数コム発生器は、所定のインプット光周波数を有するインプットレーザ光を発生させるように配置されているレーザデバイス（ポンプレーザ）と、パラメトリックに発生される光を与える光パラメトリック発生が可能であるように、３次の非線形性を示すキャビティを有する誘電性マイクロ共振器と、このマイクロ共振器に光学的に結合される導波路とを有し、この導波路は、このマイクロ共振器の中に、前記インプットレーザ光を内部結合させ、このマイクロ共振器の外で、前記パラメトリックに発生された光を外部結合させるように配置されている。本発明では、前記レーザデバイスと、前記導波路と、前記マイクロ共振器とは、前記キャビティ内の光の場が、前記インプットレーザ光の周波数の直接的な周波数サイドバンドの周波数と、さらに、このインプットレーザ光の周波数のサイドバンドの周波数サイドバンドに等しい周波数とを有する、所定のカスケードパラメトリック発振の、前記パラメトリックに発生される光でのしきい値を超えるように、所定のパワーレベルで、レーザインプット光を、マイクロ共振器のモードに、共振内部結合させるように形成されている。本発明では、複数の周波数サイドバンド（コム成分）が、周波数コムを形成するように、マイクロ共振器内で発生される。
【００１０】
前記導波路に、好ましくは組み合わされている前記マイクロ共振器は、モノリシック光成分として与えられることができる。本発明において、モノリシック光周波数コム発生器、即ち、実質的に一定の周波数のインクリメントによって周波数で分離された、複数のモノリシック光周波数成分を発生することができるデバイスが、開示されている。このマイクロ共振器は、光パラメトリック発生をさせることができる。この光パラメトリック発生では、第１の周波数の２つの光子が、第１の周波数よりも高い第２の周波数の光子と、第１の周波数よりも低い第３の周波数の光子との２つの光子に、前記マイクロ共振器のキャビティ中で変換される。このマイクロ共振器は、四光波混合によって、前記パラメトリックに発生される光を発生するように、好ましくは配置されている。この場合、前記パラメトリックに発生される光は、非縮退パラメトリックプロセスによって得られ、異なる周波数の光子は、前記マイクロ共振器のキャビティ中で、シフトされた周波数を有する２つの光子に変換される。
【００１１】
本発明者達は、マイクロ共振器中の非線形相互作用が、周波数コムを発生させるカスケードパラメトリック発生を可能にすることを見出してきた。これは、初めに発生された信号サイドバンドとアイドラサイドバンドとが、非縮退四光波混合（ＦＷＭ）（非特許文献２８参照）によって互いに相互作用し、かつ相互作用ωＰ＋ωＳ＝ωＩ＋ωＳ２によって（特に図１参照）高次のサイドバンド（周波数ωＩ２、ωＳ２を有する）を発生することができることを注意することによって、理解され得る。前記キャビティが、低い分散（パラメトリックゲインバンド幅よりも小さい（非特許文献１５参照））を示すならば、高次に対する継続的な四光波混合は、本質的に、互いに等間隔を有する位相コヒーレントサイドバンドの発生、即ち光周波数コムをもたらす。
【００１２】
本発明以前に、この方法での光周波数コムの発生は、強い強度で生じ得るポテンシャルのコヒーレンスブレークダウンと、パラメトリックプロセス自体が、ペアでは等距離であるが（ｐａｉｒｗｉｓｅ  ｅｑｕｉｄｉｓｔａｎｔ）、互いに（ｍｕｔｕａｌｌｙ）等距離ではない信号サイドバンドとアイドラサイドバンドとを発生させることとにより、期待されていなかった。しかし、本発明者達は、パラメトリックサイドバンドの特性を調べ、時間領域中で周期的な光の波形を発生させ、モノリシックマイクロ共振器からの周波数コム発生の最初の証拠を発見した。
【００１３】
本発明の第１の好ましい実施の形態では、レーザデバイスと、導波路と、マイクロ共振器とは、キャビティ内の光の場が、インプット光周波数に対して、少なくとも１０の周波数サイドバンドを、特に、少なくとも５０の周波数サイドバンドを有する、パラメトリックに発生された光での所定のカスケードパラメトリック発振のしきい値を超えるように、配置されている。好ましくは、マイクロ共振器は、１０ナノ秒を超える光子の寿命によって特徴付けられる高Ｑ値モードを示すように形成されている。
【００１４】
本発明のさらなる好ましい実施の形態によると、前記導波路は、プリズムまたはテーパ光ファイバを有することと、前記導波路は、シリコンまたはシリコン窒化物により形成されていることと、前記マイクロ共振器は、ウィスパリングギャラリモードのマイクロ共振器であることと、前記マイクロ共振器は、円形でない形状を有することと、前記マイクロ共振器は、円形の形状を有することと、前記マイクロ共振器は、ディスク形状またはリング形状を有することと、前記マイクロ共振器は、シリコンと、シリコン窒化物と、フッ化カリウムと、シリカと、プラスチックとの少なくとも１つにより形成されていることと、このマイクロ共振器は、３次の非線形性を示す非線形物質がドープされていることとの、少なくとも１つの態様が満たされる。前記マイクロ共振器が、絶縁体ウェハ材料上のシリコンからなるならば、ＳＯＩ技術によって、本発明を満たすさらなる効果が得られる。本発明のさらなる好ましい態様では、前記マイクロ共振器は、１ｍｍ未満の直径を有する。さらに、本発明のマイクロ共振器は、１平方センチメートル当たり１ギガワットより強い強度で、レーザインプット光を含むマイクロ共振器である。
【００１５】
本発明のさらなる好ましい実施の形態では、前記光周波数コム発生器は、マイクロ共振器と、導波路とを有する基板を有する。モノリシック周波数コム発生器が、効果的に構成されることができる。特に好ましい実施の形態では、前記導波路は、前記基板上に配置された矩形の導波路である。本発明のさらなる好ましい態様では、前記マイクロ共振器は、このマイクロ共振器の分散が補正される。分散補正は、例えば、前記キャビティの材料の分散と、前記導波路の固有の分散とを互いに適合することによって、例えば、前記キャビティと、前記導波路との少なくとも一方の、材料と、構成との少なくとも一方を選ぶことによって得られる。
【００１６】
検出デバイスが、前記パラメトリックに発生される光を検出するように、好ましくは配置されている。この検出デバイスは、繰り返し周波数（隣接コムのモードの間隔）が、前記レーザデバイスと、前記導波路と、前記マイクロ共振器との少なくとも１つの固有の特性を制御するフィードバックループを使用するように、検出され、安定化されるように、フィードバックループに結合されることができる。このフードバックループは、前記マイクロ共振器の温度と、このマイクロ共振器の歪みと、前記インプットレーザデバイスのポンプパワーと、このインプットレーザデバイスのレーザ周波数と、前記導波路と前記マイクロ共振器との間の距離との少なくとも１つを制御するように、好ましくは配置されている。
【００１７】
第２の様態によると、本発明は、光周波数コムを発生させるための方法を提供する一般的な技術教示に基づいている。この方法は、レーザデバイスを用いて、所定のインプット光周波数を有するインプットレーザ光を発生させる工程と、このインプットレーザ光を、導波路を通して、３次の非線形性を示すキャビティを有する誘電性マイクロ共振器に結合させる工程と、光パラメトリック発生によって、前記マイクロ共振器内でパラメトリックに発生される光を与える工程と、前記マイクロ共振器の前記パラメトリックに発生された光を結合させる工程と有し、前記与える工程で、前記レーザインプット光は、キャビティ内の光の場が、前記インプット光周波数の周波数サイドバンドの周波数と、インプット光周波数のサイドバンドの周波数サイドバンドの周波数とを有する、所定のカスケードパラメトリック発振の、前記パラメトリックに発生される光でのしきい値を超えるように、最小パワーレベルで、このマイクロ共振器のモードに結合される。
【００１８】
前記パラメトリックに発生された光は、１次およびこれより高次の位相コヒーレント周波数サイドバンド、即ち前記インプットレーザ光の周波数サイドバンドを、好ましくは有する。前記カスケード周波数サイドバンドは、互いに位相コヒーレントである。
【００１９】
本発明のさらなる好ましい実施の形態では、前記パラメトリックに発生される光は、１次およびこれより高次の隣接する周波数サイドバンドの振幅、特に好ましくは前記コム成分の３分の１未満の振幅が、３ｄＢ未満の変化量であるように与えられる。本発明の他の好ましい態様では、前記パラメトリックに発生される光の外部接合率は、サイドバンドの大部分が、同じ振幅（強度）を有する、即ち、前記インプットレーザ（ポンプレーザ）の周波数の振幅に対する比較振幅（好ましくは５０％より小さい差）となるように選ばれる。本発明のさらなる好ましい態様では、前記マイクロ共振器から前記導波路への、前記パラメトリックに発生される光のコム成分の外部接合率は、共振器内で固有の損失率（共振器中の光子の寿命の逆数）の１０分の１以上である。これら態様は、前記マイクロ共振器の共振モードに対するインプットレーザ光の範囲を変えることと、このマイクロ共振器の共振モードの他の共振モードにインプットレーザ光の範囲を変えることと、このマイクロ共振器と、導波路との少なくとも一方の構成を変えること、例えば、共振器と導波路との間隔を変えることと、インプットレーザのポンプ強度を変えることとを含む、少なくとも１つの測定によって、好ましくは満たされる。
【００２０】
本発明は、カー非線形性（非特許文献１５および１６参照）によって、モノリシック高Ｑ値マイクロ共振器（非特許文献１４参照）のモードと相互作用する既知の周波数の連続波（ＣＷ）ポンプレーザから発生され、互いに等距離に配置された周波数マーカによる全く新規の手法を示す。パラメトリックゲインの固有のブロードバンドの特性は、外部スペクトルの広がりに依らず、１５５０ｎｍ付近で、５００ｎｍの幅のスパン（〜７０ＴＨｚ）に渡って、離散コムのモードの発生を可能にする。光ヘテロダインに基づいた測定は、キャビティの受動分散を克服するような、光周波数コムを生じさせるカスケードパラメトリック相互作用を明らかにする。モードの間隔の均一性が、１０１０のうち６つの部分（６  ｐａｒｔｓ  ｉｎ  １０１０）で、実験的に相対的な精密さで測定されてきている。フェムト秒モードロックレーザ（非特許文献１７参照）とは対照的に、本発明は、サイズ、コストおよびパワー消費を頗る減少させることを可能にするモノリシック光周波数コム発生器に向けた可能な工程を示す。さらに、本手法は、光の波形合成（非特許文献１９参照）、高効率のデータ転送、または天文物理学の分光計の目盛設定（非特許文献２０参照）のような、個々のコムのモードが必要とされる分野で有用な、１００ＧＨｚを超えるような、これまでは実現不可能な繰り返し周波数（非特許文献１８参照）での動作を可能する。
【００２１】
本発明の好ましい実施の形態のさらなる詳細と効果とが、添付図面を参照して説明されており、本発明の実施の形態が、図１ないし図１１に示されている。特に、図２での、外部キャビティレーザとマイクロトロイドとの組合せが、本発明の周波数コム発生器の基本の実施の形態を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
好ましい実施の形態の以下の記載において、参照値が、ディスク形状またはリング形状のマイクロ共振器中で、周波数コムを発生するように作られる。本発明の適用は、この実施の形態に限定されるものではなく、カスケードパラメトリック発振のしきい値を超えるように、キャビティ内部での光の場を強めるような共振に適している他の固体共振器でも良いことが強調される。
【００２３】
パラメトリックサイドバンドを発生させるために、好ましい一実施の形態は、非特許文献１４に記載されているようなシリカでできたトロイドマイクロキャビティの形態の超高Ｑ値マイクロ共振器を使用する。このトロイドマイクロキャビティは、シリコンチップ上のシリカからなるモノリシック共振器であり、巨大な光子蓄積（ｇｉａｎｔ  ｐｈｏｔｏｎ  ｓｔｏｒａｇｅ）時間（τ）、即ち超高質ファクタ（Ｑ＝ωτ＞１０８）と、小さなモード容積（Ｖ〜５００λ３／ｎ３）とを有する。高い効率の結合（非特許文献２９参照）が、従来の研究に記載されているようなテーパ光ファイバを使用して得られる（非特許文献２２および３０）。高い循環パワーのおかげで、パラメトリック相互作用は、約５０μＷのしきい値で容易に観測される。１５５０ｎｍの連続波（ＣＷ）レーザ源を用いてポンピングされたとき、高周波数と低周波数との両方に延びたパラメトリックサイドバンドの広範囲に渡るカスケードと増加とが、観測される。
【００２４】
図１は、直径７５μｍのモノリシックマイクロ共振器からのブロードバンドパラメトリック周波数変換を示す。図１Ａは、１５５５ｎｍで６０ｍＷでの連続波（ＣＷ）レーザパワーを用いてポンピングされたときに、直径７５μｍのモノリシックトロイドマイクロキャビティ中で観測されたパラメトリック周波数変換のスペクトルを示す。パラメトリック相互作用と四光波混合（ＦＷＭ）との組合せが、キャビティの自由スペクトル範囲に離間されたブロードバンド放出を生じる。挿入図は、ほぼ５００ｎｍの波長スパンに渡って広がり、７０より多いモードを発生している、異なるサンプルのパラメトリックモードのブロードバンドパラメトリック変換を示す（起動パワー１３０ｍＷ）。このスペクトル（赤色方向にシフトしたサイドバンドでの高パワーを有する）と放出の変調との非対称性は、それぞれ、ラマン増幅と、テーパファイバの出力の結合の変化とに帰する。図１Ｂは、パラメトリック変換に起因するプロセスを概略的に示し、異なる角モード数（ｍ）の固有振動モードのキャビティ間の、縮退四光波混合（左）と非縮退四光波混合（右）とを示す。図１Ｃは、シリコンチップ上のトロイドマイクロキャビティの走査電子顕微鏡像を示す。
【００２５】
図１は、直径７５μｍのマイクロキャビティが、６０ｍＷのパワーを用いてポンピングされ、１００ＧＷ／ｃｍ２を超える内部キャビティ強度を生じるスペクトルを示す。パラメトリック周波数変換は、全変換効率が２１．２％（オーバーカップル領域中で使用することによって観測される最も高い変換効率は、８３％であった（非特許文献２９参照））で、４９０ｎｍの範囲を超えて広げることができた（図１の挿入図参照）。これらサイドバンド（以下の説明ではカーコムと称される）は、多くの異なるサンプルで観測されることができた。また、より大きく製造されたサンプル（直径１９０μｍ）で、３７５ＧＨｚだけ間隔を置いた１３４のモードを有する３８０ｎｍのブロードなカーコムが、わずかに高いポンプパワー消費で発生されることができた。
【００２６】
格子を基礎とした光スペクトル検光子を用いた測定は、発生されたモードが、同じモードの一群（即ち、角運動モード数（ｍ）のみが異なり、角度方向の電場依存性が、
【数２】
0005619344.tif 000003
【００２７】
と表される）に属することを明らかにするが、与えられた正確さ（約５ＧＨｚ）は、観測されたカーコムが互いに等距離かどうかを証明するには十分でない。この証明は、少なくともキャビティの線幅（この実験では約１〜１０ＭＨｚ）以下で、高スペクトル分解によって同時に測定され得るパラメトリックゲインを受けるキャビティのモードを必要とする。本発明者達は、参照グリッドとして、ファイバレーザに基づいた光周波数コム（非特許文献３１参照）（以下の説明では参照コムと称される）を使用することによって、この課題を成し遂げた。測定を基本とするこの原理は、以下の通りである。検出プロセス中に最も高く現れるビートノートが、ｆｒｅｐ／２より小さい（ここで、ｆｒｅｐは、図２Ｂを参照して、参照コムの繰り返し周波数である）ならば、マルチヘテロダイン周波数コム分光測定（非特許文献３２参照）と同様に、カーコムに参照コムを重畳することによってフォトダイオード上に発生されたビートが、ビートノートを生じる。このビートノートは、ラジオ周波数領域で光スペクトルのレプリカを構成する。特に、パラメトリックスペクトルが互いに等距離であれば、参照コムに対するこれらビートノートは、ＲＦ領域中で等距離のコムを構成するであろう。
【００２８】
図２は、光ビート測定のための実験のセットアップを示す。図２Ａは、外部キャビティレーザ（ＥＣＬ）を有する実験のセットアップを示し、このＥＣＬは、テーパファイバによって、窒素環境中の超高Ｑ値モノリシックマイクロ共振器に結合されている。パラメトリック出力側は、ビートノート検出ユニット（ＢＤＵ）の第１のポートに結合されている。前記ＢＤＵの第２のポートは、参照コムとして機能するモードロックフェムト秒エルビウムドープファイバレーザに結合されている。格子が、カーモードのスペクトル領域を選ぶように使用され、また、ＰＩＮ型のシリコンフォトダイオードが、参照コムに対するこれらビートを記録する（さらなる詳細は、図５ないし図１１を参照して以下で説明される）。図２Ａにおいて、外部キャビティレーザとマイクロトロイドとの組合せが、本発明の周波数コム発生器の基本の実施の形態を表す。図２Ｂは、測定原理を示す。パラメトリック線を有する参照コムのビートは、周波数情報を含むラジオ周波数領域に、ビート周波数を与える。図３は、電気的なビートノートスペクトルを示す。この図３の上側パネルは、図２のセットアップで測定され、ポンプからフォトダイオードに発生された、測定された電気的なビートノートのフーリエ変換と、９つの同時に発振されたカーサイドバンドとを示す。対応する光スペクトルが、挿入で示されている。この測定の獲得（ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）時間は、２００マイクロ秒であった。ＲＦビートのパワーの変化は、（ファイバ中の偏光のモードの分散に帰する）カーモードの偏光の平行でないアライメントによる。図３の下側パネルは、コム線数の関数としてＲＦスペクトルから得られた、記録されたビートを、誤差と共に示す。この測定は、これら線が、３ｋＨｚ以内で互いに等距離にあること（即ち、コムのモードの周波数間隔が、１０１０のうち６つの部分の実験解析内で互いに等距離にあること）を明らかにする。
【００２９】
光ビート測定のための実験のセットアップにおいて、１５５０ｎｍの外部キャビティレーザが、パラメトリック相互作用をポンピングするように使用された（図１Ａ参照）。ビートノートを発生させるために、マイクロキャビティのカー線は、ビートノート検出ユニット（ＢＤＵ）中で、参照コムに重畳された。このビートノート検出ユニットは、２つの参照コムを組み合わせるための偏光光学系と、カーコムと参照コムとが重なるスペクトル領域を選ぶための格子とを有する。このようにして、９つの同時に発振されたパラメトリックモードのビート（５０ｎｍより大きな波長スパンをカバーしている）が記録された。図３は、パラメトリック出力と参照コムとを重畳させることによって発生された、ＲＦビートノートスペクトルを示す。注目すべきは、発生されたサイドバンドが、５ｋＨｚ以内で互いに等距離にあることが判ることである（２００マイクロ秒の測定時間によって決定されているとき）。同様の結果が、異なるサンプルに対して、また、コムの異なるスペクトル領域に対しても得られた。これは、カーコムのモードも、１０１０のうち６つの部分に対する周波数領域中で、等距離に置かれており、従って、周波数コムを構成することを示している。カウンターを用いたとき、モードの間隔測定の正確さが、大きく改良されることができたことに注意することが重要である（非特許文献３３参照）。
【００３０】
次に、観測されたコム発生の基礎となる分散の役割が説明される。図４は、直径８０μｍのモノリシックマイクロ共振器の分散測定を示す。このメインの図は、自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）の蓄積変化量（即ち分散）、即ちΔω＝（ωｍ＋１−ωｍ）−（ω１５７７ｎｍ−ω１５８５ｎｍ）を示す。比較的高い周波数（比較的短い波長）でのＦＳＲの変化量は、１５７７ｎｍと１５８４ｎｍとの間で記録された自由スペクトル範囲に参照される（影が付けられた領域は実験の不確定性を、点線は線形フィッティングを示す）。材料の分散によって支配されるウィスパリングギャラリモードに対して予想されるように、この自由スペクトル範囲は、比較的短い波長に対して増加する（ＳＩ参照）。挿入図は、参照コムの単一のモードのキャビティの反射を示し、この反射は、キャビティのモードのペアをシフトさせる縮退間のモデル接合によって誘導される。
【００３１】
ウィスパリングギャラリモード（ＷＧＭ）のマイクロキャビティ中の分散は、自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）での偏差によって特徴付けられ、Δω＝（ωｍ＋１−ωｍ）−（ωｍ−ωｍ−１）＝ωｍ＋１＋ωｍ−１−２ωｍである。この分散は、材料の寄与と、構成からの寄与との両方を示す（補足情報参照）。分散測定は、マイクロ共振器に接続されている導波路に、ファイバに基づいた周波数コムを直接結合させることによってなされた。さらに、この分散測定は、参照マーカとして、外部キャビティダイオードレーザ（ＥＣＤＬ）を使用することと、このキャビティのマーカレーザと参照コムとを互いに安定化させることとの効果を証明した。この安定化は、マーカレーザにマイクロキャビティの熱セルフロッキング（非特許文献３４参照）を最初に使用することによって得られた。次に、既知のオフセット周波数によって、このマーカレーザに参照コムをロックする位相ロックが与えられた。この参照コムの超高Ｑ値と高い繰り返し周波数（１００ＭＨｚ）とのおかげで、所定の時間で、１つのコムのモードのみが、単一のマイクロキャビティのモードで共振されることができる。このマイクロキャビティに、共振するように結合されている単一の参照コムのモードを記録するために、モノクロメータが使用され、続いて、パラメトリックサイドバンドが（高ポンプパワーで）観測される波長に合わせられた。また、参照コムのオフセット周波数が合わせられたとき、キャビティからの反射パワーが記録された。この反射信号は、モデル結合（非特許文献３５および３６参照）（図４の挿入図）によって発生される。このようにして、異なる角モード数ｍを有するモード間の自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）が測定された。この測定は、参照コムの繰り返し周波数を法としたＦＳＲの変化を与えるのみであることに注意する。この不確定性は、異なる繰り返し周波数を用いて第２の測定を行うことによって、取り除かれた。
【００３２】
図４は、直径８０μｍのトロイドマイクロキャビティに対するこの測定の結果を示す。この測定は、ＦＳＲが、比較的短い波長（即ち正のＦＳＲの分散）に対して増加することを明らかにする。しかし、幾何学的な分散は、負のＦＳＲの分散のみを説明する。なぜならば、固有の幾何学的な共振器のＦＳＲの分散（非特許文献３７参照）は、
【数３】
0005619344.tif 000004
【００３３】
によって近似されることができるからである（補足情報参照）。ここで、Ｒはキャビティの半径である。測定された正の値は、材料の分散から生じる寄与、即ち
【数４】
0005619344.tif 000005
【００３４】
に帰する。ここで、ＧＶＤ＝−（λ／ｃ）×（∂２ｎ／∂λ２）は、群速度分散のパラメータである（補足情報参照）。実際、シリカのＧＶＤは、１．３μｍより長い波長に対して正であり、固有の共振器の分散（ωＦＳＲ＞０を生じる）を補正し、約６０ｎｍのスパンに渡って、２０ＭＨｚ程度まで減らされた蓄積分散を導く。この低い値は、これら実験が、ゼロ分散波長の近くで行われることを示す。従って、比較的低い分散は、キャビティのパラメータとゼロ分散波長とを最適化することによって、なされ得ることが注意される。
【００３５】
寒色（ｃｏｌｄ）のキャビティの線幅を超えるキャビティの分散は、パラメトリックコム発生のプロセスを妨げないことに注意する。このことは、非特許文献１５で報告されているように、ガスレーザ中のプーリングモードに類似し（非特許文献３８参照）、非線形光モードプーリングのプロセスで説明されることができる。強いＣＷポンプレーザは、自己位相変調（ＳＰＭ）と相互位相変調（ＸＰＭ）との両方を誘導し得る（非特許文献２６参照）。ＸＰＭは、ＳＰＭの２倍である。これは、Ω＝４×（ｃ／ｎ）γＰ（有効非線形性は、γ＝（ω／ｃ）×（ｎ２／Ａｅｆｆ）である。ここで、Ａｅｆｆは有効モード面積、ｎは屈折率、ｃは真空中の光の速さ、ｎ２＝２．２×１０−２０ｍ２／Ｗはガラスのカー非線形性、Ｐはキャビティ中の貯蔵光パワーである。）によって与えられる従来の研究に記載されているように、パラメトリックゲインがゼロでない（０＜Δω＜Ω）波長を変える範囲（Δω＝２ωｍ−ωｍ−１−ωｍ＋１）を与える。この結果、負（非駆動）の値（非特許文献１５参照）から、（駆動）キャビティの分散Δω＝ωｍ＋１＋ωｍ−１−２ωｍにネット変化を生じ、屈折率変化を誘導する合成されたＸＰＭとＳＰＭとが、差の量だけ、キャビティの共振周波数をシフトする。この推論は、（導波路の場合に）周波数のミスマッチに対応した運動量のミスマッチがあっても、光ファイバ中のパラメトリックゲインに類似していることに注目している（非特許文献２８参照）。モードプーリングの分析用偏差が発達し（非特許文献３９）、ＸＰＭのモードプーリングが実験的に測定されている（非特許文献４０）が、この論証をカスケードパラメトリック相互作用へと拡張することは、まだ実現されていない。しかし、この実験の結果は、この非線形モードプーリングが、カーコムの形成の基礎となるプロセスに同じように適用できることを示している。
【００３６】
この結果、コム発生のプロセスは、パラメトリックゲインがブロードバンドであり（約２００ないし２２００ｎｍに広がるガラスの透明窓によってのみ制限される）、非線形モードプーリングのプロセスをもたらすという明確な効果を有して、カー非線形性による内部キャビティ位相変調（ＩＰＭ）を表す。この非線形モードプーリングのプロセスにより、初期の研究でアクティブな電気光内部キャビティの位相変調に依存するとき、内部キャビティ位相変調に、発生されたコムの幅を制限するような、分散に関連したカットオフに対してより敏感でない感度をもたらす（非特許文献１１参照）。
【００３７】
周波数空間中での互いに等距離のカーモードを有する直接の意義は、時間領域中での周期的信号である。このカーモードの位相が、周波数と共に線形に変化する場合、発生された光は、フーリエ制限光パルスを生じる（非特許文献２参照）。射出の時間形状の情報は、２次の自己相関関数を用いて以下のように得られた。
【数５】
0005619344.tif 000006
【００３８】
（ＰＰＬＮ非線形結晶を使用する、以下参照）実際、周期的な自己相関関数が、５：１までのコントラスト比で最大値をもたらすように（この配置図と実験のセットアップに対して、以下図６参照）、全てのサンプルに対して記録された。（８：１の予想される値と比較して）比較的低いコントラスト比は、記録された波形が十分に離れたパルスを構成しなかったという事実に帰された。実際、フーリエ制限パルスがキャビティ内に発生された場合でさえも、結合に使用されるテーパファイバと同様に、自己相関器に通じるファイバの群速度の分散は、ここでは約１ピコ秒のキャビティの周回時間のオーダーでの広がりを導くであろう（以下参照）。しかし、この測定から、キャビティから現れる波形が、周期的で、時間に対して安定であると結論付けることができる。実際、これら波形は、サイドバンドの位相コヒーレント特性を確認する測定時間（＞６０秒）の経過の間、不変であった。従って、適切なパルス形状（非特許文献１９参照）を有するフーリエ制限パルスは、原理的には、放出されたスペクトルから発生されることができた。一例として、圧縮されたならば、図１からのスペクトルは、９．５フェムト秒のパルス継続時間となる（双曲線正割の二乗のパルス形状を仮定する）。
【００３９】
本発明の周波数コム発生は、さらに大きな改良を与えれば、計測学に対する有用さを証明できる。光の場をマイクロ波信号に直接参照すると（非特許文献２参照）、容易に測定可能な繰り返し周波数が、明白に有用さを証明するであろう。この目的のために、直径６６０μｍのマイクロキャビティが、１００ＧＨｚより小さい繰り返し周波数（ΔνＦＳＲ＝ｃ／（２πｎｅｆｆＲ））で動作することが、既に可能であり得る（我々の現在のリソグラフィマスクによって可能な最大のサンプルに対する３７５ＧＨｚと比較）。ギガヘルツの範囲の間隔は、一般的な計測学への適用において有用であることが証明できた。なぜならば、通常の格子分光計を使用して、個々のコムのモードを直接分析することを可能にし、一方、通常のモードロックレーザと比較して、ＣＷレーザを用いたビートノートは、５０ＧＨｚより小さい周波数範囲で技術的に利用可能であり、また、単一のコム成分で十分に高められたパワーからさらに効果が得られるからである。この目的のために、ミリメートルサイズの結晶のマイクロ共振器で観測されるパラメトリック相互作用の最近の進歩は、非常に期待できる結果である（非特許文献１６参照）。
【００４０】
モードの間隔の精度に対するこの実験の制限は、フェムト秒レーザのコムの間隔に対する先駆的な実験で使用されたようなカウンターに依存しているとき、大きく改良されることができた（非特許文献３３参照）。さらに、オクターブへのスペクトルのバンド幅の改良が可能であり得、ｆ−２ｆ干渉計（非特許文献１３参照）によって（熱的な同調を介して（非特許文献４１参照））、出力スペクトルの安定化を可能にし得る。周波数コム発生を超えた、広いバンド幅での位相コヒーレント放出の発生は、本研究から得ることができたさらなる他の適用であり、超短光パルスの波形の合成に対しての、もしくはブロードバンド放出源としての面白さを証明する。高い繰り返し周波数によって、この源は、テラヘルツの放射を放出する非線形プロセスを行うように使用されることができた。チップデバイスのこの高い繰り返し周波数は、高容量のデータ転送、もしくは周波数コムの個々の成分のアドレス（ａｄｄｒｅｓｓｉｎｇ）と操作とを必要とする関連した適用のための、複数のチャネルの発生のためにも有用であり得る。さらに、材料が、３次の非線形性と、十分に長い光子の寿命とを示すならば、パラメトリック相互作用が、例えばＣａＦ２（非特許文献１６参照）のような、他のタイプのマイクロキャビティでも起こることに注意する。このようなキャビティの構成は、概念的にこの発明の中核をなすものではない。報告されている現象は、シリコン（非特許文献４２参照）、ＳＯＩ（非特許文献４３参照）または結晶構造（非特許文献４４参照）に基づいたＷＧＭ共振器のような、他のタイプの高Ｑ値マイクロ共振器で、同じように観測可能であろう。実際、シリコンチップでのネットパラメトリックゲイン（非特許文献４５参照）の最近の観測は、この方向性で期待できるステップである。
【００４１】
以下では、モノリシックマイクロ共振器からの、本発明の光周波数コム発生器に関するさらなる詳細な情報が加えられる。図５では、狭い自由スペクトル範囲を有するカーコムの他のスペクトルが示されている。次のセクションでは、ビートノートの実験のセットアップと、マイクロトロイドの分散の理論解析によって理解される分散測定とを説明する。最後のセクションは、マイクロキャビティの放出されたスペクトルから得られた自己相関トレースに関する情報を含んでいる。
【００４２】
図５は、図１の実施の形態と比較して低い繰り返し周波数でのカーコムのスペクトルを示す。カーコムは、直径１７７μｍのトロイドで発生された。このスペクトルの全パワー（ポンプ線＋発生されたサイドバンド）は、５００ｍＷ付近であり、１３４より多い線が分布されている。自由スペクトル範囲は、３ｎｍである。対応する周波数は、３７５ＧＨｚである。大きなサンプルに対して、広いバンド幅のフォトダイオードを用いて繰り返し周波数の直接測定を可能にするような、１００ＧＨｚより小さな繰り返し周波数を発生させることが可能であろう。
【００４３】
パラメトリックカー線が互いに等距離である特性を証明するために、モードロックファイバレーザの形態で参照周波数コムが使用される。測定の基礎となる原理は、マルチヘテロダイン分光学の概念と類似している。参照コムは、周波数ｆ０＋ｎ・ｆｒｅｐ（ここで、ｆｒｅｐは繰り返し周波数、ｆ０はキャリアのエンベロープのオフセット周波数、ｎは２・１０６のオーダーの整数である）を有するスペクトルを発生させ、カーコムは、周波数ｆ０＋ｍ・ｆＦＳＲを発生させる（ｍ〜２００）と仮定する。これら２つのコムを干渉させることによって発生された信号は、与えられたラジオ周波数（ＲＦ）領域のビートノートスペクトルを有するであろう。繰り返し周波数は、キャビティのＦＳＲが、参照コムの繰り返し周波数の倍数、即ちｆＦＳＲ〜ｍ０・ｆｒｅｐ（ｍ０は整数）に近いように調整されたならば、Ｎ個の異なるカーコム線が、ＲＦ領域中に互いに等間隔に配置されるような、Ｎ個の異なるＲＦビートノートを、即ちＲＦビートノードの周波数ｆ‘’０＋Δ・ｋ（Δ＝（ｆＦＳＲ  ｍｏｄ  ｆｒｅｐ）、ｋ＝１、…Ｎ）を発生するだろう。
【００４４】
前記実験のセットアップは、上述のように図２に示されている。チューナブル外部キャビティダイオードレーザ（ＥＣＤＬ）が、刊行物４７および４８に記載されているように、マイクロトロイドの共振をポンピングするように使用される。このキャビティの共振は、偏光に依存しているので、内部ファイバ偏光制御器が、ポンプレーザの偏光を調整するように使用される。前記マイクロトロイドは、１５５０ｎｍの領域中で強い吸収幅を有するシリカトロイドの、表面上への水分の析出を避けるように、窒素環境を含むシールされた囲い中に配置されている。
【００４５】
マイクロ共振器中で、線のスペクトルは、非線形パラメトリック相互作用と四光波混合とによって発生される（上記参照）。（マイクロ共振器からテーパファイバの後ろに結合される光を有する）このテーパ光ファイバの出力信号が、３ｄＢのカプラによって２つに分けられており、オシロスコープと光スペクトル検光子とに接続されたフォトダイオードによって監視される。テーパ出力の一方が、ビート検出ユニット（ＢＤＵ）に送られ、オクターブを広げるファイバレーザに基づいた参照周波数コムに重畳される（非特許文献４９参照）。この参照周波数コムは、１００ＭＨｚの繰り返し周波数を有する。前記ＢＤＵは、偏光ビームスプリッタを使用して続いて結合される２つのインプットビームで直交線形偏光を作るように、複数の４分の１波長板と、複数の半波長板とを有する。次に、１つの半波長板によって、前記２つのインプットビームの偏光の調整可能な線形結合が、この２つのインプットビームが干渉する偏光子の透過軸を中心に回転される。信号対雑音比（ＳＮＲ）を高めるために、カーコムを含むスペクトル領域での光は、格子によって選ばれ、最終的に、ＰＩＮ型のＩｎＧａＡｓフォトダイオード（Ｍｅｎｌｏ  ｓｙｓｔｅｍ  ＦＰＤ５１０）を用いて検出される。内蔵ＦＦＴルーチンを有するオシロスコープが、ラジオ周波数スペクトルを分析するために使用される。大まかな分析のために、電気スペクトル検光子が使用される。参照コムの繰り返し周波数は、１００ＭＨｚ付近であるので、レーザ線と参照コムとの間のビートノート周波数は、０ＭＨｚないし５０ＭＨｚの範囲にある。（ｆＦＳＲｍｏｄｆｒｅｐ）まで調整されるこの参照コムの繰り返し周波数は、小さな周波数であるので、対象となる全てのｋに対する条件０＜ｋ・Δ＜ｆｒｅｐ／２が満たされる。その上、等距離のＲＦビートの観測が、カーコムが等距離であることの明白な証明を与える。
【００４６】
キャビティの分散を測定するために、図６に示されている構成体が使用される。図６は、この分散測定の実験のセットアップである。左下側のビート検出ユニットが、外部キャビティダイオードレーザ（ＥＣＤＬ）とファイバレーザ周波数コムとの間に、オフセットロックを設けるように使用される。従って、ビート検出ユニット中のフォトダイオードからの信号は、最初に、ファイバレーザコムの１００ＭＨｚの繰り返し周波数の強い信号を取り除くように、５０ＭＨｚのローパスを用いて取り除かれる。続いて、このビートノート信号は、可変周波数発生器（１０〜６０ＭＨｚ）を用いて１０ＭＨｚに下がるように混合され、安定な１０ＭＨｚのＲＦ参照値と比較される。コンパレータの出力が、ファイバレーザの繰り返し周波数のピエゾ機械制御に接続されているＰＩフィードバック増幅器に送られる。この可変周波数発生器を調整することによって、ＥＣＤＬのレーザ線と隣接コム線との間の距離を、０ＭＨｚとｆｒｅｐ／２との間で任意の値に変えることができる。さらに、このＥＣＤＬとファイバコムとは、ＥＣＤＬに熱的にロックされたマイクロトロイドの共振を有するマイクロキャビティに結合されている。キャビティの２つの共振間の距離を測定するために、ゼロスパンモードで光スペクトル検光子（ＯＳＡ）が、ＥＣＤＬによってポンピングされた共振とは異なるキャビティの共振の周波数の波長に設定される。次に、前記オフセットロックは、ファイバコムの反射信号がＯＳＡに検出されるまで、変えられる。これがなされると、前記ＥＣＤＬと、ファイバコムの１つのモードとが、マイクロキャビティの２つの異なるモードを有する共振をする。これは、ＦＳＲが、ｆｂｅａｔｎｏｔｅ＋ｎ・ｆｒｅｐとして得ることができることを意味する。
【００４７】
まとめると、外部キャビティレーザは、１５５０ｎｍ付近で、基本のＷＧＭキャビティのモード（高いパワーでのカスケードサイドバンドを生じる同じ共振）の１つに最初にロックされる。モノリシックマイクロ共振器のキャビティの共振は、熱セルフロッキング技術（非特許文献５０参照）によって、外部キャビティレーザにロックされる。パワーは、パラメトリックしきい値よりかなり低く、８５μｍより小さいように、しかし、十分に安定なロックをもたらすように選ばれる。次に、周波数コムは、外部キャビティレーザにオフセットロックされる。これは、離れたビートノート検出ユニット中で、周波数コムのビートノートとＥＣＤＬとを記録することによってなされる（このビートノート検出の原理は、最後のセクション参照）。安定なロッキングをなすために、発生されたビートは、（４００ｋＨｚの分析バンド幅で）約２５〜３０ｄＢのＳＮＲを生じるように、取り除かれ、増幅される。分散測定のために、周波数コムは、ＥＣＤＬに関して、任意の光の波長範囲でロックされる。これは、１０ＭＨｚに下げられた（可変）参照信号（ｆｏｆｆｓｅｔ）を用いてビートノートを混合することと、ピエゾ電気チューブに装着されているミラーを使用してキャビティの長さを制御することにより、ファイバコムの繰り返し周波数（ｆｒｅｐ）のフィードバックを用いて位相ロックを行うこととによってなされる（全てのＲＦ発生器とアナライザとは、内部で１０ＭＨｚの参照値を使用して安定化されることに注意する）。キャビティの線幅が５ＭＨｚ以下であり、ファイバコム（ＦＣ）の繰り返し周波数が１００ＭＨｚであるという事実によって、所定の時間で１つのＦＣのコムのモードは、１つのマイクロ共振器のモードで共振することができる。透過において、共振器への個々のコムのモードの結合を測定することは困難であるので、モデル結合によって誘導されるキャビティの反射が測定される（非特許文献５１参照）。ｆｏｆｆｓｅｔの変化（と、同時に記録されるｆｒｅｐと）によって、反射における個々のキャビティのモードの線幅を分解することができる。従って、この測定は、ファイバコムの繰り返し周波数を法とした２つのキャビティの共振νｍとνｍ＋Δｍとの間の周波数ギャップ（自由スペクトル範囲）を測定するための正確な方法を与える。個々のＦＣ線の低いパワー（約１０ｎＷ）は、測定されたキャビティモードが、熱的に歪ませられないことを確実にする。キャビティのＦＳＲ間のコム線（ｎ）の数、即ちｎ＝［（νｍ−νｍ＋Ｄｍ）／ｆｒｅｐ］の不確定性を取り除くために、第２の測定が、ｎを補正することが可能な異なる繰り返し周波数を用いて行われる。従って、２つのキャビティの共振間の実際の自由スペクトル範囲は、ＦＳＲ＝ｆｂｅａｔｎｏｔｅ＋ｎ・ｆｒｅｐによって得られることができる。
【００４８】
本発明のマイクロキャビティの分散は、２つの寄与を有する。第１に、ウィスパリングギャラリモードのマイクロキャビティが、共振器の構成によって自由スペクトル範囲の本質的な変化を示す。微小球の基本モードの共振周波数は、以下の式によって近似的に与えられる（非特許文献５２参照）。
【数６】
0005619344.tif 000007
【００４９】
ここで、ｃは真空中の光の速さ、ｎは屈折率、Ｒはキャビティの半径、η１はエアリー関数の最初のゼロ（η１〜−２．３４）である。従って、自由スペクトル範囲の変化
【数７】
0005619344.tif 000008
【００５０】
は、
【数８】
0005619344.tif 000009
【００５１】
によって与えられる。明らかに、自由スペクトル範囲は、負の群速度の分散（ＧＶＤ）に対応して増加する周波数に対して減少する。即ち、低周波数のモードは、高周波数のモードよりも短い周回時間を示す。図７は、４０μｍおよび８０μｍの半径の微小球（ウィスパリングギャラリ微小球共振器）に対する変化を示す。即ち、
【数９】
0005619344.tif 000010
【００５２】
である。セルマイヤー方程式によって、シリカの分散の効果を含む２つの共振器の半径（４０μｍおよび８０μｍ）に対するＦＳＲの分散が示される。共振位置は、微小球の共振位置の漸近展開を使用して計算される。シリカ材料と共振器の分散との異なる符号により、ゼロ分散点が、赤外線中に存在する。
【００５３】
第２の寄与は、共振器を構成している結合されたシリカ材料の分散から生じる。この寄与は、屈折率ｎが、実際に周波数ｎ≡ｎ（ｍ）の（従ってモードの数ｍの）関数であることを考慮することによって見積もられることができる。構成的な分散は無視し、結合されたシリカのみのＧＶＤは、ＦＳＲの変化によって導かれ、
【数１０】
0005619344.tif 000011
【００５４】
ここで、
【数１１】
0005619344.tif 000012
【００５５】
は、融解シリカの群速度の分散である。この材料のパラメータは、１３００ｎｍの波長領域中で、８００ｎｍで約−１００ｐｓ／ｎｍ・ｋｍから、１５５０ｎｍで＋２０ｐｓ／ｎｍ・ｋｍまで、符号を変えることがよく知られている。これら２つの寄与を組合せて、ＧＶＤの正の符号は、特に、これら共振器の構成の分散をある程度は打ち消すことを可能にし、広い周波数スパンに渡ってほぼ一定のＦＳＲを与えることができる。図Ｓ３は、材料の寄与と構成の寄与との両方を考慮して、８０μｍおよび１６０μｍの微小球に対するＦＳＲの変化を示す。重要なことに、操作した波長の近くにゼロ分散点が生じる。トロイドマイクロキャビティに対するゼロ分散点の位置は、異なる共振器の形態により、比較的短い波長にシフトされることが期待されることに注意する。この期待は、与えられたｍの値に対する共振波長が、微小球と比較して、マイクロトロイドキャビティ中で短いことを示す有限要素シミュレーションによって証明される（非特許文献５３参照）。
【００５６】
干渉計の自己相関実験は、マイケルソン干渉計を使用して行われた。複数のアームの１つの長さは、後方反射ミラーにもたらされる移行段階を制御するステッピングモータによって変えられることができる。１ｎｍ長のニオブ酸リチウム周期分極反転結晶（ＰＰＬＮ，Ｔｈｏｒｌａｂｓ  ＳＨＧ５−１）が、入射光の第２のハーモニック振動を発生させるように使用される。比較的高い変換効率のために、ビームの偏光は、半波長板および４分の１波長板を用いて調整されることができ、このビームは、アクロマチック二重レンズによって結晶に集められる。発生された第２のハーモニック振動光は、基礎となる波長を遮るための９５０ｎｍのショートパスフィルタを通過した後、高感度シリコンフォトダイオードに集められる。使用されるＰＰＬＮ結晶は、１５５０ｎｍ付近に適した位相であり、１ｍｍ長である。
【００５７】
図９は、２次の自己相関実験を示す。図９Ａは、周波数を２倍にするようなＰＰＬＮ結晶と、第２のハーモニックを記録するためのシリコンフォトダイオードとを使用している自己相関器の概略を示す。このセットアップは、空気中にあり、マイクロ共振器から光ファイバによって２ｍだけ離されている。図９Ｂは、測定された自己相関器のトレースを示す（図８中の対応するパラメトリックスペクトル参照）。比較的低いコントラスト比は、パルスが十分に離されていないという事実に帰することに注意する。この場合のキャビティの周回時間は、直径７０μｍのマイクロ共振器に対して予測されるように、１．０３ピコ秒である。図９に示されている２次の自己相関を発生させるように使用された、対応するスペクトルが、図８に示されている。光パワー軸は、ポンピングモードのパワーに対して規格化されている。この自己相関器に送られる平均パワーは、約５０ｍＷである。
【００５８】
発生されたスペクトルのブロードなバンド幅により、ファイバの分散の役割は重要である。１５５０ｎｍ付近での１００ｎｍの幅のスペクトルに対して、バンド幅制限パルスは、使用されるＳＭＦ−２８ファイバの１ｍを、２ピコ秒で広がるであろう（群速度の分散により、１５ｐｓ／ｋｍ・ｎｍのＧＶＤ）。この効果は、大きな負の分散を示すような（０．８μｍのテーパに対して、約−２０００ｐｓ／ｋｍ  ｎｍ）テーパ光ファイバ自身によって部分的に補正されることができた（非特許文献５４参照）。しかし、この補正は、この実験のセットでは受けられなかった。第２のハーモニック発生のセットアップは、これら波長の基本的なパルスの継続時間の測定としてよりも、波長の周期的特性を論証するための独立した方法として使用された。
【００５９】
モノリシックマイクロキャビティ中の光パラメトリック発振（ＯＰＯ）によって発生された光サイドバンドは、互いに等距離であり、従って、固有のキャビティの分散を克服する。これは、１０ｍＷより小さいインプットパワーで、周波数コムの発生を導く。
【００６０】
図１１は、１５５３ｎｍの外部キャビティレーザを用いて、直径８０μｍのトロイドマイクロキャビティをポンピングすることによって得られた、代表的な光スペクトルを示す。テーパ光ファイバからの高い効率のエバネッセント結合が、マイクロトロイドのウィスパリングギャラリモードを励起するように使用される（図１参照）。このテーパ光ファイバの出力は、光スペクトル検光子（ＯＳＡ）を用いて監視され、また、キャビティの自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）だけ離間されたカスケードパラメトリック線の発生と、ポンプ波長に対して対称な１５０ｎｍの波長範囲を広げることとを証明するために使用される。
【００６１】
キャビティのゼロでない分散は、キャビティの共振モードを、互いに等距離でないように変えてしまう。発生されたＯＰＯサイドバンドは互いに等距離であるので、本発明以前は、これらサイドバンドがこのキャビティ中で共振しないことが予想された。しかし、キャビティの効果によって相互位相変調および自己位相変調が高められるおかげで、パラメトリック散乱と、カスケード周波数を生じる四光波混合（ＦＷＭ）とが、キャビティのモードを互いに等間隔にすることができる。
【００６２】
発生されたサイドバンドが実際に等距離であることを実験的に証明するために、本発明者達は、参照値としてファイバに基づいた周波数コムを使用した（非特許文献１参照）。測定機構が、図１０にさらに示されている。外部キャビティダイオードレーザに結合されているファイバが、トロイドに結合されているテーパ光ファイバに接続されている。結合後、マイクロキャビティの出力の場の一部が、ビートノートセットアップに送られる。このビートノートセットアップでは、前記発生されたＯＰＯサイドバンドは、ラジオ周波数（ＲＦ）ビート信号を発生させるように、フェムト秒ファイバレーザに基づいた光周波数コムに重畳される。半波長板（ＨＷ）と、４分の１波長板（ＱＷ）と、偏光ビームスピリッタ（ＰＢＳ）とが、２つの入力ビームを重畳するように使用される。その後、レーザビームは、２つのレーザシグナルが干渉して、ビートノート信号が発生される４５°の角度で、他のＰＢＳに送られる。この参照コムは、１２００ｎｍないし１７００ｎｍの波長範囲内で、１００ＭＨｚ離間されたスペクトルを与える。この繰り返し周波数と、それぞれの線の間隔とは、約１０ｋＨｚの範囲内に、ステッピングモータを使用して調整されることができる。この測定原理は、同様の（サブハーモニック）コムの間隔を有する、２つを重畳された互いに等距離のコムが、ＲＦ領域でビートノートの互いに等距離のコムを発生させるであろう。参照コムの１００ＭＨｚのコムの間隔によって、ビートノートの１セットは、通常の光検出器を用いて容易に検出でき、かつ標準電気シグナルのプロセスを使用して分析されることができるような、５０ＭＨｚ未満の周波数を有する（図１０参照）。
【００６３】
図１０は、実験のセットアップを示す。グレーの線は、光ファイバを、そして、暗い影の線は自由空間光学系を示す。外部キャビティダイオードレーザが、偏光制御器（ＰＣ）を通過した後、トロイドに結合されている。点線のボックスは、マイクロキャビティを有する窒素清浄チャンバを示す。透過光は、ファイバカプラ（ＦＣ）に導かれ、そこから、左下側のフォトダイオードとビートノードセットアップとに送られる。このビートノートセットアップでは、マイクロキャビティ中に発生されたコム線と、フェムト秒ファイバレーザに基づいた周波数コムのコム線とは、偏光ビームスピリッタキューブ（ＰＢＣ）内で重畳される。格子（Ｇ）が、信号対雑音比を良くするように、フォトダイオードに反射された比較的小さな波長範囲を選ぶように使用される。このフォトダイオードの信号は、ＥＳＡ（電気スペクトル検光子）とオシロスコープとによって分析され、このオシロスコープは、ＦＦＴルーチンによって検出された信号を周波数領域に直接変換する。右のグラフは、光周波数領域中で７．５ＴＨｚよりも広がっている、９つのパラメトリックに発生された線からの、測定されたラジオ周波数ビートノートのスペクトルである。
【００６４】
９つの同時に測定されたカーコム成分の総計に対するＲＦビート周波数は、実際、発明者達による測定のバンド幅の分析によってのみ制限される３ｋＨｚ程度で、互いに等距離で測定される。
【００６５】
計算されたキャビティの分散は、数百ＭＨｚの範囲であるので、このキャビティの分散は、広いバンド幅に渡って克服されることができることが結論付けられる。干渉強度の自己相関測定は、非常に高い繰り返し周波数（テラヘルツの範囲）を有するフェムト秒パルス（＜１００フェムト秒）が発生されることをさらに示している。これは、周波数コム発生のためのプラナーデバイスへのルートを開く。
【００６６】
上述の記載と、図面と、請求項で開示されている本発明の特徴は、様々な実施の形態で、個々の重要な要素と同様に、これらの組合せによってもなされることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１Ａ】図１Ａは、６０ｍＷで１５５５ｎｍの連続波（ＣＷ）レーザパワーを用いてポンピングされたときに、直径７５μｍのモノリシックトロイドマイクロキャビティ中で観測されたパラメトリック周波数変換のスペクトルを示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、パラメトリック変換に起因するプロセスを概略的に示し、異なる角モード数（ｍ）の固有振動モードのキャビティ間の、縮退四光波混合（左）と、非縮退四光波混合（右）とを示す。
【図１Ｃ】図１Ｃは、シリコンチップ上のトロイドマイクロキャビティの走査電子顕微鏡像を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、テーパファイバによって、窒素環境中の超高Ｑ値モノリシックマイクロ共振器と結合されている外部キャビティレーザ（ＥＣＬ）を有する実験のセットアップを示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、測定原理を示す。
【図３】図３は、電気的なビートノートスペクトルを示す。
【図４】図４は、直径８０μｍのモノリシックマイクロ共振器の分散測定を示す。
【図５】図５は、図１の実施の形態と比較して低い繰り返し周波数でのカーコムのスペクトルを示す。
【図６】図６は、分散測定の実験のセットアップを示す。
【図７】図７は、４０μｍおよび８０μｍの半径の微小球（ウィスパリングギャラリ微小球共振器）に対する変化を示す。
【図８】図８は、図９に示されている２次の自己相関を発生させるように使用される、対応するスペクトルを示す。。
【図９Ａ】図９Ａは、周波数を２倍にするようなＰＰＬＮ結晶と、第２のハーモニックを記録するためのシリコンフォトダイオードとを使用している自己相関器の概略を示す。
【図９Ｂ】図９Ｂは、測定された自己相関器のトレースを示す。
【図１０】図１０は、実験のセットアップを示す。
【図１１】図１１は、１５５３ｎｍの外部キャビティレーザを用いて、直径８０μｍのトロイドキャビティをポンピングすることによって得られた、代表的な光スペクトルを示す。
【符号の説明】
【００６８】
１…レーザデバイス、２…マイクロ共振器、３…導波路。
【図１Ａ】
0005619344.tif 000013
【図１Ｂ】
0005619344.tif 000014
【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
0005619344.tif 000016
【図２Ｂ】
0005619344.tif 000017
【図３】
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【図４】
0005619344.tif 000019
【図５】
0005619344.tif 000020
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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